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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 원충연
- 발행연도
- 2017
- 저작권
- 성균관대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수4
이 논문의 연구 히스토리 (2)
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전기차(EVs), 에너지저장장치(ESS)와 같은 차세대 에너지 산업에 사용되는 전력변환장치는 배터리가 사용됨에 따라 저전압, 대전류의 출력 특성을 지니고 있다. 따라서 이에 적용할 수 있는 양방향 컨버터로는 일반적으로 고효율, 고승압, 낮은 전류 리플, 절연의 특성이 요구된다. 이러한 특성을 고려하여 본 논문에서는 언급한 응용분야에 적용 가능한 준공진 절연형 전류원 양방향 컨버터 (CF-IDHCR)를 사용한다.
하지만, CF-IDHCR의 일반적인 스위칭 기법의 경우, 저전압단 스위치에 흐르는 전류의 최대값이 크게 발생하기 때문에 이에따른 RMS 전류의 크기 또한 커짐에 따라 도통 손실이 증가하는 문제가 있다. 또한 고전압단 전류로부터 컨버터 내부를 순환하는 무효전력이 크게 나타남에 따라 컨버터의 효율 향상에 한계가 있다.
따라서, 이러한 저전압단 스위치 전류의 최대값과 컨버터 내부를 순환하는 무효전력으로 인해 효율 향상의 문제점이 있기 때문에 본 논문에서는 손실 분석을 위해 CF-IDHCR의 저전압단 스위치뿐만 아니라 고전압단 스위치 또한 위상 천이를 수행하는 이중 위상 천이 (Dual Phase Shift, DPS) 스위칭 기법을 사용한다. DPS 스위칭 기법을 CF-IDHCR에 적용하여 앞서 언급한 저전압단 스위치 전류의 최대값을 줄이고 컨버터 내부에 발생하는 무효전력을 저감함에 따라 도통 손실을 줄이는 방식을 통해 CF-IDHCR의 효율을 향상시킬 수 있다. 컨버터는 효율 향상과 전력밀도가 중요한 만큼 추가적인 효율 향상이 필요하므로 현재 전력변환장치의 전력용 반도체 소자 및 수동 소자에 대한 손실 분석이 요구 된다. 이에 따라 본 논문에서는 DPS 스위칭 기법을 CF-IDHCR에 적용 시 발생하는 손실에 대한 분석을 진행하였다. 손실 분석을 수행하기 위해 CF-IDHCR의 주요 파형을 6 개의 모드로 구분한 후 각 모드별로 발생하는 전류 흐름으로부터 등가회로를 이용해 수학적 모델링을 수행 하였고, 모델링된 수식으로부터 각 모드별로 발생하는 도통 손실을 위한 수식을 일반화하였다. 또한 자성체의 특성을 고려하여 손실을 구하기 위해 동손과 철손으로 나누어 산출하였다.
손실 분석 결과 자성체에서는 동손에서 차지하는 부분이 크게 발생하고, 저전압단에 흐르는 전류가 크기 때문에 저전압단 스위치와 역병렬 다이오드에서 발생하는 손실의 비중 또한 크게 나타나는 것을 확인 하였다. 제안하는 손실 분석에 대한 타당성은 PSIM 시뮬레이션과 1kW급 시작품을 통해 비교 분석 하였고, 이로부터 컨버터 CF-IDHCR의 추가적인 효율 향상에 기여할 수 있을 것이라 생각한다. 이외에도 본 논문에서 진행된 손실 분석은 25°C 조건 이라는 가정하에 진행하였기 때문에 온도 특성과 추가적인 변수를 고려한다면 보다 더 정확한 손실 분석의 일반화를 이룰 수 있을 것이라 예상한다.
하지만, CF-IDHCR의 일반적인 스위칭 기법의 경우, 저전압단 스위치에 흐르는 전류의 최대값이 크게 발생하기 때문에 이에따른 RMS 전류의 크기 또한 커짐에 따라 도통 손실이 증가하는 문제가 있다. 또한 고전압단 전류로부터 컨버터 내부를 순환하는 무효전력이 크게 나타남에 따라 컨버터의 효율 향상에 한계가 있다.
따라서, 이러한 저전압단 스위치 전류의 최대값과 컨버터 내부를 순환하는 무효전력으로 인해 효율 향상의 문제점이 있기 때문에 본 논문에서는 손실 분석을 위해 CF-IDHCR의 저전압단 스위치뿐만 아니라 고전압단 스위치 또한 위상 천이를 수행하는 이중 위상 천이 (Dual Phase Shift, DPS) 스위칭 기법을 사용한다. DPS 스위칭 기법을 CF-IDHCR에 적용하여 앞서 언급한 저전압단 스위치 전류의 최대값을 줄이고 컨버터 내부에 발생하는 무효전력을 저감함에 따라 도통 손실을 줄이는 방식을 통해 CF-IDHCR의 효율을 향상시킬 수 있다. 컨버터는 효율 향상과 전력밀도가 중요한 만큼 추가적인 효율 향상이 필요하므로 현재 전력변환장치의 전력용 반도체 소자 및 수동 소자에 대한 손실 분석이 요구 된다. 이에 따라 본 논문에서는 DPS 스위칭 기법을 CF-IDHCR에 적용 시 발생하는 손실에 대한 분석을 진행하였다. 손실 분석을 수행하기 위해 CF-IDHCR의 주요 파형을 6 개의 모드로 구분한 후 각 모드별로 발생하는 전류 흐름으로부터 등가회로를 이용해 수학적 모델링을 수행 하였고, 모델링된 수식으로부터 각 모드별로 발생하는 도통 손실을 위한 수식을 일반화하였다. 또한 자성체의 특성을 고려하여 손실을 구하기 위해 동손과 철손으로 나누어 산출하였다.
손실 분석 결과 자성체에서는 동손에서 차지하는 부분이 크게 발생하고, 저전압단에 흐르는 전류가 크기 때문에 저전압단 스위치와 역병렬 다이오드에서 발생하는 손실의 비중 또한 크게 나타나는 것을 확인 하였다. 제안하는 손실 분석에 대한 타당성은 PSIM 시뮬레이션과 1kW급 시작품을 통해 비교 분석 하였고, 이로부터 컨버터 CF-IDHCR의 추가적인 효율 향상에 기여할 수 있을 것이라 생각한다. 이외에도 본 논문에서 진행된 손실 분석은 25°C 조건 이라는 가정하에 진행하였기 때문에 온도 특성과 추가적인 변수를 고려한다면 보다 더 정확한 손실 분석의 일반화를 이룰 수 있을 것이라 예상한다.
목차
제 1 장 서론 11.1 연구 배경 및 필요성 11.2 연구 목적 및 방법 71.3 논문의 구성 8제 2 장 연구 동향 92.1 양방향 DC/DC 컨버터의 분류 102.2 절연형 전압원 DC/DC 컨버터 122.3 절연형 전류원 DC/DC 컨버터 14제 3 장 준공진 절연형 전류원 양방향 DC/DC 컨버터 183.1 CF-IDHCR의 구성 203.2 손실 분석을 위한 DPS 스위칭 기법의 모드 분석 223.3 DPS 스위칭 기법 적용 시 저전압단 스위치 전류의 최대값 433.4 DPS 스위칭 기법 적용 시 무효전력 45제 4 장 제안한 DPS 스위칭 기법의 손실 분석 484.1 역병렬 다이오드의 도통 손실 504.2 스위치의 도통 손실 524.3 순환 전류에 의한 도통 손실 594.4 자성체에 의한 손실 614.5 전체 손실 64제 5 장 시뮬레이션 및 실험 결과 655.1 제안한 손실 분석의 시뮬레이션 결과 675.2 손실 분석을 위한 하드웨어 구성 및 실험 결과 705.3 시뮬레이션 및 실험 결과에 대한 고찰 75제 6 장 결론 79참고문헌 81ABSTRACT 85
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